Komm schon, Menschheit, 2000 Jahre! Dieser „Chemiker“ kann unter Mars-Bedingungen Sauerstoff produzieren

Die Suche nach Anzeichen für früheres Leben auf dem Mars und die Schaffung potenzieller bewohnbarer Gebiete auf dem Mars, in denen das Überleben gesichert ist, sind seit langem gehegte Ziele der Menschheit.

Die Sauerstoffproduktion auf dem Mars ist eines der ersten Probleme, die die Menschheit lösen muss, bevor sie zum Mars migriert .

Obwohl die NASA bereits erfolgreich nachgewiesen hat, dass Sauerstoff lokal auf dem Mars produziert werden kann – die Sauerstoffproduktionsanlage auf dem Perseverance-Rover produzierte in 16 Sauerstoffproduktionsexperimenten insgesamt 122 Gramm Sauerstoff (entspricht der Sauerstoffmenge, die ein Welpe zum Atmen für 10 Stunden benötigt) – gibt es noch immer viele Schwierigkeiten bei der Durchführung einer groß angelegten Sauerstoffproduktion auf dem Mars .

Künstliche Intelligenz (KI) kann uns heute möglicherweise dabei helfen, diese Herausforderung zu meistern.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Science and Technology of China hat einen Roboter-KI-Chemiker entwickelt, der ohne menschliches Eingreifen Katalysatoren aus Marsmeteoriten herstellen, ihre Sauerstoffproduktionsleistung testen und den Prozess wiederholen kann, bis der beste Katalysator gefunden ist.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass der Katalysator unter simulierten Marsbedingungen funktionieren kann .

Tatsächlich erfordert die Entwicklung von Katalysatoren aus einer vorgegebenen Liste von Elementen die Erforschung eines riesigen chemischen Raums, was für das traditionelle „Versuch und Irrtum“-Modell eine gewaltige Aufgabe darstellt. Wenn man beispielsweise fünf verschiedene lokale Erze auf dem Mars als Rohstoffe verwendet, gibt es 3.764.376 mögliche Rezepte, die auf ganzzahligen Prozentkombinationen in 1-Prozent-Intervallen basieren, und dieser Prozess würde durch menschliche Arbeit 2.000 Jahre dauern .

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Automatisierte Synthese sauerstoffproduzierender Katalysatoren aus Marsmeteoriten durch einen Roboter-KI-Chemiker“ wurde in Nature Synthesis, einer Tochtergesellschaft von Nature, veröffentlicht.

Die Autoren des Artikels sagen, dass AI Chemist eine vielversprechende Technologie für die Synthese von Katalysatoren vor Ort auf dem Mars darstellt und einen Proof-of-Concept für die Sauerstoffproduktion liefert, der zukünftige bemannte Missionen zum Mars beeinflussen könnte.

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Da Raketentreibstoffe und Lebenserhaltungssysteme große Mengen Sauerstoff verbrauchen, hat die Sauerstoffversorgung für menschliche Aktivitäten auf dem Mars höchste Priorität.

Jüngste Hinweise auf Wasseraktivität legen die Möglichkeit einer groß angelegten Sauerstoffproduktion auf dem Mars durch solarbetriebene elektrochemische Wasseroxidation unter Verwendung von Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) nahe.

Um jedoch aus lokalen Rohstoffen auf dem Mars brauchbare OER-Katalysatoren zu synthetisieren, müssen zwei große technologische Herausforderungen bewältigt werden. Erstens muss das Synthesesystem unbemannt und autonom gesteuert werden, da die enormen astronomischen Entfernungen eine Echtzeit-Fernsteuerung durch Menschen verhindern. zweitens sollte es mit wissenschaftlicher Intelligenz ausgestattet sein, um die optimale Katalysatorformel mithilfe von KI-Algorithmen effizient zu ermitteln.

Und KI-Roboter scheinen die einzige praktikable Technologie zu sein, um beide Herausforderungen zu bewältigen. Diese Robotersysteme benötigen ein intelligentes Subsystem, um chemisches Wissen zu erwerben und prädiktive physikalische Modelle zu erstellen.

Der in dieser Studie entwickelte KI-Chemiker kann automatische und autonome Synthesen durchführen. Es kann nicht nur mobile Roboter und 14 aufgabenspezifische Chemiearbeitsplätze nutzen, um den gesamten Prozess der chemischen Synthese, Strukturcharakterisierung und Leistungsprüfung durchzuführen, sondern auch leistungsstarke Computermodule, kombiniert mit Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) und theoretischen Modellen, verwenden, um die vom Roboter erhaltenen experimentellen Daten und First-Principles-Simulationsdaten zu analysieren und so die beste Formel für chemische Syntheseaufgaben zu entwickeln.

Um die Arbeit von KI-Chemikern auf dem Mars zu vereinfachen, schlug die Studie einen zweischichtigen Arbeitsablauf für die Vor-Ort-Synthese von OER-Elektrokatalysatoren vor. Die äußere Schicht umfasst 12 Schritte automatisierter Experimente und Datenverwaltung, die von Robotern und verschiedenen „intelligenten“ chemischen Arbeitsstationen durchgeführt werden; Die innere Schicht umfasst neun aufeinanderfolgende digitale Operationen, die vom intelligenten Computer-„Gehirn“ ausgeführt werden .

Abbildung | Arbeitsablauf eines umfassenden Systems für KI-Chemiker zur Entwicklung und Herstellung von OER-Elektrokatalysatoren vor Ort auf dem Mars, bestehend aus einem mobilen Roboter, einem Computer-„Gehirn“, einem Cloud-Server und 14 aufgabenspezifischen Arbeitsstationen.

Der Arbeit zufolge beschleunigte der KI-Chemiker die Entdeckung der optimalen Syntheseformel für Elektrokatalysatoren mit hoher Entropie um fünf Größenordnungen im Vergleich zum traditionellen experimentellen Versuch-und-Irrtum-Paradigma .

Darüber hinaus entwickelten die Forscher ein datengesteuertes Protokoll, das von einem KI-Chemiker gesteuert wurde und das bei der Entwicklung eines OER-Katalysators aus sechs Metallelementen, die aus 3.764.376 Kombinationen ausgewählt wurden, das herkömmliche Trial-and-Error-Protokoll nachweislich übertraf .

Dem Artikel zufolge nutzten KI-Chemiker innerhalb von sechs Wochen ML und Bayes'sche Optimierungsalgorithmen, um aus fast 30.000 theoretischen Datensätzen und 243 experimentellen Datensätzen zu lernen und ein Vorhersagemodell zu erstellen, das eine vielversprechende OER-Katalysatorformel und die am besten geeigneten Synthesebedingungen liefert.

Sauerstoffproduktion auf dem Mars, KI könnte der „Katalysator“ sein

Zusätzlich zur erfolgreichen Produktion einer kleinen Menge Sauerstoff durch MOXIE an Bord der Perseverance der NASA schlugen Vasco Guerra, ein Physiker an der Universität Lissabon in Portugal, und seine Kollegen im Jahr 2022 auch vor, dass mithilfe von Elektronenstrahlen in Plasmareaktoren mehr Sauerstoff produziert werden könnte.

Sie pumpen Luft, die dem Druck und der Zusammensetzung des Mars entspricht, in Metallröhren und wandeln etwa 30 Prozent der Luft in Sauerstoff um, indem sie einen Elektronenstrahl in eine Reaktionskammer schießen. Die Studie kam zu dem Schluss, dass das Gerät etwa 14 Gramm Sauerstoff pro Stunde produzieren könnte, was für eine Atmung von 28 Minuten ausreicht.

Dies dürfte zwar ausreichen, um ein kleines Lebenserhaltungssystem aufrechtzuerhalten oder eine kleine Rakete mit Treibstoff zu versorgen, für eine bemannte Mission zum Mars wären jedoch größere und effizientere Anlagen zur Sauerstoffproduktion erforderlich.

Die NASA schätzt, dass ein vierköpfiges Astronautenteam etwa eine Tonne Sauerstoff benötigen würde, um ein Jahr auf dem Mars zu überleben, und etwa sieben Tonnen Sauerstoff, um von der Marsoberfläche abzuheben und zur Erde zurückzukehren. Daher müssen zukünftige Anlagen zur Sauerstoffproduktion möglicherweise so groß wie ein Auto sein und über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden können.

Dem in dieser Studie vorgeschlagenen KI-Chemiker ist ein neuer Durchbruch bei der Sauerstoffproduktion auf dem Mars gelungen, der neue Ideen für die Sauerstoffproduktion auf dem Mars liefert und möglicherweise eine groß angelegte Sauerstoffproduktion ermöglicht .

In den letzten Jahren hat die KI die Möglichkeiten der menschlichen Erforschung des Universums weiter erweitert. In Zukunft könnte KI ein Katalysator für das Leben des Menschen auf dem Mars sein.

Referenzlink: https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1